醫用鈦合金的（de）發展（zhǎn）曆史
1940年初期，鈦（tài）合金的研發工作開始逐步進（jìn）行，Bothe等人將鈦應用於老鼠骨中，發現（xiàn）鼠骨與鈦的相容性較好，沒有不良反應發生。到了20世紀50～60年代，研（yán）發（fā）出（chū）了具有耐（nài）高（gāo）溫特性的（de）鈦合金，70年代初期又有一批耐蝕鈦合金相繼研製出，在80年代中期階段，第2代（dài）無釩的a+β型鈦（tài）合金(Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe)也被研製出，在臨（lín）床中得到一定的應用（yòng），但該種合金中有毒元素Al和Fe會對人體帶來一定的傷害，並且該合金的彈性模量還達不（bú）到真正（zhèng）股骨的標準，會產生（shēng）“應力屏蔽”使種植體周（zhōu）圍出（chū）現骨吸收的現（xiàn）象，引起種（zhǒng）植體斷裂或鬆動（dòng）從而導致植入失敗。到了（le）1990年伊始（shǐ），美國和日本（běn）開始致力於研究第三代新型的（de）醫用鈦（tài）合金，其中以β型鈦合金為主。


醫用鈦合金作為一種新型合金，同時也是（shì）一種載體材料，被廣（guǎng）泛應用於肢體植入、替代（dài）性功（gōng）能材料（liào）、牙科、醫療器械等相關領域（yù）。鈦及鈦（tài）合金有：耐蝕性好、比（bǐ）強度高（gāo）、彈性模量較低、耐（nài）疲勞、生物（wù）相容性好等特點。其中生物相容性好這一特（tè）點使其與其他金屬相比具有獨特的優勢，因此在醫學領域獲得廣泛青睞，但由於其耐磨性及工藝性能不高，致力於對其進一步的改進工作（zuò）也在不斷進行。
β鈦合（hé）金的研發
合金的製備原（yuán）理與設計
(1)鈦合金的選擇
在選擇適應於醫用材料時，對於不同部位，材料的彈性模量、韌性、強度、耐蝕性等相關（guān）指標成為考慮的必備因（yīn）素。於振濤等人將（jiāng）不同金屬元素進行（háng）實驗比較，他們（men）的研究結果顯示如（rú）下：V，Co，Cd，Cr，Ni，Hg等元素毒性較強，Fe，Al元素次之。在生物體內（nèi）脾、肝、腎等部（bù）位發現有V的離子析出物（wù），其生物毒性較大；而Al元素也會以Al鹽形式在體內蓄積從而導致人體的神經係（xì）統紊亂以及相應器官受損。Ta，Mo，Zr，Sn，Pd，Hf，Nb等元素生物相容性較好，可以作為合金的添加元素。Mo，Sn，Zr，TaHf，Nb，Pd的化學穩定（dìng）性好（hǎo），並且Ta，Nb，Zr，Mo能夠（gòu）使（shǐ）合金的彈性模量降低，因此可以有效改善合金的穩定性能。綜上分析，理想的生物醫用鈦（tài）合金可以選擇的合（hé）金係包括Ti-Mo-Nb、Ti-Zr-Nb、Ti-Zr-Mo-Nb和Ti-Zr-Sn-Mo-Nb等。
(2)鈦合金的設計（jì）
在合金的設計過（guò）程（chéng）中，d電子設計理（lǐ）論為合金設計的基本方法。基本思想是：通過（guò）對Ti及其（qí）各添加元素的電子軌道參數（shù）進行計（jì）算（suàn），得到相（xiàng）應的Md值和Bo值（zhí），進而對合金的彈性（xìng）模量和抗拉強度等有關參數進行分析。實驗表明，Md值較低有利（lì）於相穩定（dìng），Bo值較高有利於（yú）提高固溶（róng）的（de）強化（huà）效果。在（zài）對介穩定β型鈦合金進行（háng）設計時，應該控製Md值2.35~2.45以及Bo值為2.75~2.85之（zhī）間。熱穩定β型鈦合金在進行塑性加工（gōng）時會發（fā）生滑移變形，而介穩定β型鈦合（hé）金則可發生滑移（yí）、馬氏體（tǐ）或（huò）孿生變形(如圖1)所示。因（yīn）而通過控製不同的合金顯微組織結構可以使材料性能在較大範圍（wéi）內得以提升（shēng）。
4.鈦合金的發展（zhǎn）現狀
(1)低彈性模量的β鈦合金
美國研發了多（duō）種低模量的β鈦合（hé）金，Ti-13Mo-7Zr-3Fe和Ti-35Nb-7Zr-5Ta可作為替代（dài）髖關節的理想合金，其中Ti-13Mo-7Zr-3Fe合金（jīn）具有更接近於人體骨（gǔ）骼標準的低彈性模（mó）量，可以減少“應力屏蔽（bì）”效應，從（cóng）而可以有效的降低植入對骨頭造成的（de）損（sǔn）害。俄羅斯也研發了一（yī）種新的醫用（yòng）鈦（tài）合金Ti51-Zr18Nb，其（qí）彈性彈性模量僅為47Gpa，並且其（qí）可逆變（biàn）形量也高達2.83%。日本對低彈性模量的β鈦合（hé）金進行進（jìn）一步改進，TNTZ合金在高壓扭轉下（xià）得（dé）到較大的塑性變（biàn）形，並且該合金的抗拉強度也得到大幅度的提升。
(2)形狀記憶合金
形狀記憶合金具有變形恢複功能，該功能源於熱彈（dàn）性馬氏體相變。記憶合金中馬氏體（tǐ）會（huì）隨著溫度的改變而（ér）發生相應的變化（huà），在高溫時呈現奧氏體相，低溫時呈現馬氏體相。其形（xíng）狀記憶效應還包括：單程記憶效應、雙程記憶效應以及全程記憶效應。除此之外，形狀記憶合金（jīn）還具有彎曲量（liàng）大，塑性高的特點。因此，在醫療方麵，可以用來製備：記憶NiTi牙弓絲、形狀記憶合金血液過濾（lǜ）器以及套管（guǎn）鏈接的鋁合金（jīn）假肢。
(3)多孔鈦合金
“應力屏蔽”作用所造成的（de）植入體鬆（sōng）動和（hé）斷裂使鈦及其合（hé）金的應用受到一定的限製，因此，為（wéi）了（le）解決這一問（wèn）題，多孔鈦合金的出現使植入體的性能得以改（gǎi）善。通過對孔隙率的（de）大小進（jìn）行調整，可（kě）以使合金的彈性模量、強度、密度能夠與被替換的組織生物（wù）相容性增強，從（cóng）而更好的進行匹配；此外，多孔的結構以及粗糙的表麵能夠使細胞黏附，有利於進行（háng）增殖（zhí）和分化；孔洞可以成為使體內的（de）營（yíng）養（yǎng）物質和體液運輸的通道，有利於（yú）組織細胞進行再（zài）增長，加快愈合進程。因此，多孔鈦合金的優點在醫學上受到廣泛關注（zhù）。
(4)鈦合金的（de）表麵（miàn）改性
鈦合金雖具有良好的生物相容性，但其屬於生物惰（duò）性材料。耐磨性較低，在磨損條件下容易產生大量的含有鈦的磨屑，甚至（zhì）可誘發（fā）炎（yán）症反應,導致植入體周圍的骨組織溶解，大（dà）大（dà）降低了其使用壽命（mìng）。對鈦合金進行表麵改性可以在保留鈦合金原有的優良性能的基礎上，使其（qí）生物相容性、耐磨性、耐蝕性等（děng）方麵（miàn）增強，改善其臨床使用性（xìng）能從而更好的發揮其使用價值。鈦合金表麵改性方法有很多種，包括氧（yǎng）化改性法、氣相沉積法、離子注入法、等離（lí）子噴塗法及（jí）激光表麵改性法等。
5.醫用鈦合金的應用
(1)牙科
鈦與人體結締的組織、骨（gǔ）骼（gé）上皮組織都（dōu）具有良好的親和性，優良的力（lì）學性能也體現其在（zài）醫用合金中的優勢。且密度小、質量輕、耐腐蝕（shí）性好、戴用舒適，因此，鈦作為義齒(種植牙)收到廣泛青睞（lài）。此外（wài），鈦義齒通過表麵處理之後，美觀性能增加，能夠滿足大眾（zhòng）對美的需求（qiú），給人以（yǐ）視覺的享（xiǎng）受。
(2)肢體（tǐ）矯正
據（jù）有關文獻報道，每年世界上大約有1 億病人患有膝關節和臂關節等有（yǒu）關炎症，進行替換手術治療勢在必行，因此具有優良替（tì）換功能的鈦合金為此帶來福音。與陶瓷、不鏽鋼等材料相比，鈦合金的彈性模量更接近於（yú）人體骨骼，在模量大小（xiǎo）上更具有優勢（shì）。因此鈦合金在踝關節、肘關節等（děng）矯正中得以廣泛應用（yòng）。此外，多孔鈦合金材料能夠使假體（tǐ）具有生物活性，有助於股骨頭的愈合；鈦合金表（biǎo）麵的生物相容性較好，能誘導骨細胞生長，因此（cǐ）被臨床醫生、骨科領域專家等所（suǒ）推崇。
(3)植入修複與替代
植入修複物，鈦及鈦合（hé）金作為植入修複物的優點主要（yào）有：①強度高，化學（xué）穩定（dìng）性及生物相容性好；②無毒，對人體不會造成傷害；③彈性模量低，與人體（tǐ）骨骼更匹配；④記憶合金具有的彈性能力和形狀恢複功能。綜上，鈦在顱骨（gǔ）修複方麵的應用主要體現在：利用鈦網（wǎng）可（kě）以修複缺（quē）損的顱（lú）骨。在人體心血（xuè）管方麵的應（yīng）用（yòng）體現在：製備人造心髒（zāng）瓣膜、血液過濾器、心髒起搏（bó）器和人工心髒（zāng）泵等。